工程陶瓷磨削表面殘余應(yīng)力及其分布研究

李 霞

（包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 引言

工程陶瓷相對(duì)于金屬材料因?yàn)榫哂懈哂捕取⒏邚?qiáng)度、高耐磨性、耐腐蝕、低熱膨脹系數(shù)、絕緣等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事設(shè)備、精密機(jī)械以及特殊工況領(lǐng)域[1-3]。陶瓷材料本身特點(diǎn)導(dǎo)致其加工成本高，應(yīng)用范圍較金屬材料較窄，由于陶瓷材料的硬脆特性，磨削成為其主要加工方式。磨削不同于其他機(jī)械加工，磨削過程中由于磨粒的連續(xù)切削作用導(dǎo)致磨削功率大，且多數(shù)都以熱的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，短時(shí)間內(nèi)在磨削區(qū)產(chǎn)生大量的磨削熱，對(duì)工件表面極易造成燒傷、裂紋和殘余應(yīng)力[4]。而殘余應(yīng)力作為評(píng)價(jià)工件表面完整性的標(biāo)準(zhǔn)之一對(duì)工程陶瓷零件的斷裂應(yīng)力、彎曲強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及耐腐蝕能力都存在影響。工程陶瓷作為典型的硬脆性材料，零件的斷裂應(yīng)力和韌性對(duì)表面應(yīng)力狀態(tài)比金屬敏感的多，且殘余壓應(yīng)力與拉應(yīng)力會(huì)對(duì)零件的斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展具有重要影響。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)陶瓷等硬脆材料磨削加工后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了部分研究。文獻(xiàn)[5]綜述了工程陶瓷預(yù)應(yīng)力磨削、超聲輔助磨削、電火花以及激光等特種加工對(duì)表面殘余應(yīng)力影響的研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了上述加工對(duì)陶瓷表面殘余應(yīng)力的影響機(jī)理和分布規(guī)律。文獻(xiàn)[6]通過自行研制的超聲輔助磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)工程陶瓷材料進(jìn)行了磨削實(shí)驗(yàn)，得出了超聲輔助磨削與普通磨削對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響機(jī)制與變化情況。文獻(xiàn)[7]通過有限元仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手法對(duì)玻璃陶瓷的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，通過壓痕斷裂力學(xué)理論和磨削力的推導(dǎo)公式對(duì)磨削殘余應(yīng)力的進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出了不同磨削參數(shù)對(duì)磨削后工件殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[8]在磨削溫度和殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)中提出了一個(gè)物理模型，以分析和定量的方式預(yù)測(cè)起始溫度作為殘余應(yīng)力的函數(shù)，使用Timoshenko熱應(yīng)力理論分析計(jì)算熱應(yīng)力，然后通過磨削實(shí)驗(yàn)顯示了該模型在給定工藝條件和材料特性下可預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力分布。文獻(xiàn)[9]采用以氬氣為保護(hù)氣，在不同修復(fù)溫度、保溫時(shí)間和降溫速度條件下的熱修復(fù)方法對(duì)磨削后藍(lán)寶石表層進(jìn)行處理，通過檢測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此方法可有效降低藍(lán)寶石的表面殘余拉應(yīng)力，提高了材料的表面完整性。文獻(xiàn)[10]對(duì)陶瓷材料進(jìn)行超聲輔助銑磨削加工與仿真研究，得出了磨削條件與殘余應(yīng)力的關(guān)系曲線，實(shí)現(xiàn)了材料表面質(zhì)量的大幅提升。文獻(xiàn)[11]對(duì)單晶硅納米研磨過程中的殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與分布進(jìn)行了研究，采用階梯刻蝕的方法和共聚焦激光顯微拉曼光譜法研究了研磨后的硅片中殘余應(yīng)力的相變和分布。得出隨著蝕刻深度的降低，殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出壓應(yīng)力減小和拉應(yīng)力分散分布的趨勢(shì)。

以上研究表明探究磨削后硬脆材料的殘余應(yīng)力分布對(duì)工件表面完整性有重要意義，但前人研究針對(duì)陶瓷材料較少且多為表面殘余應(yīng)力，因此這里選取氮化硅與氧化鋯兩種陶瓷材料進(jìn)行對(duì)比研究，探究不同磨削參數(shù)對(duì)兩種陶瓷材料的影響規(guī)律以及殘余應(yīng)力的分布情況，可進(jìn)一步完善陶瓷材料的加工技術(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與方案

實(shí)驗(yàn)采用氮化硅（Si3N4）與氧化鋯（ZrO2）兩種陶瓷材料試件，試件大小為邊長20mm的正方體陶瓷塊，實(shí)驗(yàn)在精密成型磨床上進(jìn)行，通過調(diào)整磨削速度vs、磨削深度ap，進(jìn)給速度vw三個(gè)磨削參數(shù)來獲得不同殘余應(yīng)力值，砂輪采用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪：濃度為80%，粒度為80/95μm，濕磨下進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 磨削加工Fig.1 Grinding Processing

磨削后陶瓷材料的殘余應(yīng)力采用日本Pulstec 公司的便攜式X射線殘余應(yīng)力分析儀μ-x360s進(jìn)行測(cè)量。此殘余應(yīng)力分析儀可快速精確地對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行檢測(cè)，并且是以晶體衍射與胡克定律為依據(jù)，根據(jù)被測(cè)工件材料的晶面間距變化來確定其表面與內(nèi)部的殘余應(yīng)力情況，如圖2所示。

圖2 殘余應(yīng)力分析儀Fig.2 Residual Stress Analyzer

本次實(shí)驗(yàn)通過改變磨削參數(shù)以獲得兩種材料的殘余應(yīng)力值，采用單因素實(shí)驗(yàn)法。由于陶瓷材料本身的硬脆性，所以在磨削加工中主要存在塑性變形與脆性斷裂兩種去除方式，并且這兩種去除方式將導(dǎo)致陶瓷材料殘余應(yīng)力狀態(tài)存在較大差別。此外，未經(jīng)過磨削加工的試件表面的原始應(yīng)力σ與材料的燒結(jié)工藝有關(guān)。因此在實(shí)驗(yàn)前先測(cè)量陶瓷試件表層的原始?xì)堄鄳?yīng)力，發(fā)現(xiàn)氮化硅原始應(yīng)力為：σ0x=-150MPa，σ0y=-82MPa；氧化鋯原始應(yīng)力為：σ0x=-169MPa，σ0y=-87MPa。通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)兩種陶瓷材料原始?xì)堄鄳?yīng)力都為壓應(yīng)力，但在平行于磨削方向（σx）和垂直于磨削方向（σy）上的數(shù)值有所不同，不同的初始應(yīng)力值對(duì)磨削過程中磨粒的切削和裂紋的擴(kuò)展都存在影響，可能影響最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此接下來的測(cè)量值都是在原始?xì)堄鄳?yīng)力的基礎(chǔ)上得出的相對(duì)值。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同磨削參數(shù)下的表面殘余應(yīng)力值，如表1所示。

表1 不同參數(shù)下表面殘余應(yīng)力Tab.1 Surface Residual Stress Under Different Parameters

由表1可以看出氮化硅和氧化鋯兩種材料的表面殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力，且氧化鋯的應(yīng)力值要大于氮化硅的應(yīng)力值，平行于磨削方向的應(yīng)力值要大于垂直于磨削方向的應(yīng)力值。同一磨削條件下（vs=40m/s、ap=10μm、vw=3800mm/min）不同表面下深度的殘余應(yīng)力分布，如表2所示?？煽闯鰵堄鄳?yīng)力的分布隨著表面下深度的增加逐漸減小后趨近于平緩，且兩種陶瓷材料平行于磨削方向的應(yīng)力變化范圍及峰值要大于垂直于磨削方向的應(yīng)力變化與峰值。

表2 不同表面下深度殘余應(yīng)力分布Tab.2 Distribution of Residual Stress in Different Depths

3 分析與討論

3.1 磨削參數(shù)與殘余應(yīng)力關(guān)系

將表1的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)于，由磨削參數(shù)與表面殘余應(yīng)力關(guān)系圖可知隨著磨削參數(shù)的變化，表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，分析其原因，金剛石砂輪在磨削工程陶瓷時(shí)，砂輪磨粒的切削去除擠壓作用相對(duì)明顯，會(huì)引起局部較高的磨削溫度，在磨削溫度作用下以塑性擠壓為主的去除方式會(huì)引起陶瓷表面出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力,如圖3所示。此外，由于陶瓷材料的脆性較大，表面如果出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力會(huì)立即以裂紋生產(chǎn)與擴(kuò)展的方式將殘余拉應(yīng)力釋放，因此均出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。

由圖3（a）可知，隨著磨削速度由25m/s增加到45m/s，兩種陶瓷材料的表面殘余應(yīng)力值均增大，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)楫?dāng)砂輪磨削速度增大，會(huì)引起磨削表面的適當(dāng)高溫，增加了陶瓷材料的斷裂韌性，使材料趨向于發(fā)生以彈性或塑性變形的去除方式[12-14]，抑制了裂紋擴(kuò)展以及表面剝落等現(xiàn)象發(fā)生，使磨削表面的應(yīng)力無法被釋放出去，因此表面殘余應(yīng)力增大。

由圖3（b）和圖3（c）可知，當(dāng)磨削深度由5μm 增加到25μm、進(jìn)給速度由1000mm/min 增加到5000mm/min 時(shí)，兩種材料的表面殘余應(yīng)力值均減小，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)楫?dāng)磨削深度和進(jìn)給速度增加時(shí)，磨削表面產(chǎn)生較多的脆性剝落，以塑性變形為主的去除方式比例大大減少，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用也相對(duì)減少，表面殘余應(yīng)力值減小。同時(shí)，磨削深度和進(jìn)給速度的增加會(huì)導(dǎo)致表面/亞表面裂紋擴(kuò)展深度增加[15]，裂紋的擴(kuò)展會(huì)引起陶瓷材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的釋放，也會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力值變小。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磨削參數(shù)中磨削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力影響最大，磨削速度次之，進(jìn)給速度最小。

圖3 磨削參數(shù)與表面殘余應(yīng)力關(guān)系Fig.3 Relationship Between Grinding Parameters and Surface Residual Stress

3.2 殘余應(yīng)力分布規(guī)律

將表2的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在圖4中，磨削條件在vs=40m/s、ap=10μm、vw=3500mm/min 時(shí)表面下深度由（0～60）μm 時(shí)的殘余應(yīng)力分布，如圖4所示。由5可知，兩種材料平行于磨削方向和垂直于磨削方向的殘余應(yīng)力峰值都是壓應(yīng)力，同時(shí)在表面下深度為（25～35）μm附近壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，此外隨著表面下深度的增加，兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力值逐漸變小并趨近于某一深度時(shí)由加工引起的殘余應(yīng)力會(huì)消除。

圖4 不同表面下深度殘余應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of Residual Stress at Different Depths

出現(xiàn)以上原因是因?yàn)殡S著磨削表面下深度的增加，殘余應(yīng)力值與裂紋擴(kuò)展作用逐漸由磨削表面向下減弱，由擠壓效應(yīng)所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力作用也明顯下降。此外，磨削高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使加工后殘余應(yīng)力出現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，因此導(dǎo)致原有的殘余壓應(yīng)力在釋放和向下傳遞過程中轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，但這種拉應(yīng)力作用效果不明顯，會(huì)隨著深度的增加逐漸消除。

對(duì)比兩種材料在同一磨削參數(shù)和表面下深度的殘余應(yīng)力與不同磨削參數(shù)下表面殘余應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，平行于磨削方向的殘余應(yīng)力值要大于垂直于磨削方向的應(yīng)力值，這是因?yàn)槟ハ鬟^程中砂輪中磨粒在磨削力的作用下沿磨削方向?qū)ぜ砻孢M(jìn)行滑擦、耕犁和切削運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)了沿磨削方向的擠壓效應(yīng)，因此導(dǎo)致了平行于磨削方向上的殘余壓應(yīng)力要大于垂于方向的。氧化鋯的殘余應(yīng)力值要大于氮化硅的殘余應(yīng)力值，這是因?yàn)檠趸喌臄嗔秧g性（9MPa·m1/2）要高于氮化硅的斷裂韌性（6MPa·m1/2），斷裂韌性的提高抑制了裂紋擴(kuò)展深度的增加，從而阻止了殘余應(yīng)力的釋放。

3.3 表面殘余應(yīng)力與去除方式關(guān)系

由以上分析可知磨削后表面殘余應(yīng)力與材料去除方式存在關(guān)系，為了得出殘余應(yīng)力與表面去除方式存在何種關(guān)系，將進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)后的工件再進(jìn)行表面掃描電鏡觀測(cè)，得出不同殘余應(yīng)力下的工件表面形貌，如圖5所示。

圖5 不同殘余應(yīng)力下表面形貌（單位：MPa）Fig.5 Surface Morphology Under Different Residual Stress（Unit：MPa）

圖5選取氮化硅材料進(jìn)行表面形貌觀測(cè)，由圖可看出，在殘余應(yīng)力值的較大時(shí)，如圖5（a）、圖5（b）所示。表面存在較多的塑性流動(dòng)，表面較為平整與光滑；當(dāng)殘余應(yīng)力值逐漸減小后，如圖5（e）～圖5（f）所示。

表面出現(xiàn)明顯的脆性剝落、凹坑和隆起，表明質(zhì)量變差，氧化鋯材料的變化趨勢(shì)與氮化硅材料一致，因此隨著工件表面由塑性變形的去除方式向脆性斷裂的去除方式轉(zhuǎn)變，如圖5（a）～圖5（f）所示。表面殘余壓應(yīng)力值逐漸減小，表面質(zhì)量變差，也驗(yàn)證了前文理論分析的正確性。因此在磨削加工中應(yīng)選用較小的進(jìn)給速度和磨削深度、較大的磨削速度使表面呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力，以此來獲得較好的表面質(zhì)量。

4 結(jié)論

這里通過對(duì)兩種工程陶瓷材料的不同磨削參數(shù)下的表面殘余應(yīng)力、同一磨削參數(shù)下的殘余應(yīng)力分布以及表面殘余應(yīng)力與去除方式關(guān)系的研究，得出結(jié)論如下：

（1）氮化硅與氧化鋯陶瓷磨削后表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且當(dāng)磨削速度減小、磨削深度與進(jìn)給速度增加時(shí)，兩種材料表面殘余應(yīng)力值均減小。

（2）同一磨削參數(shù)下，隨著磨削表面下深度的增加，兩種材料的殘余應(yīng)力分布均由殘余壓應(yīng)力向殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，后再轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力并逐漸消失。

（3）兩種材料平行于磨削方向的殘余應(yīng)力值要大于垂直磨削方向的殘余應(yīng)力值，且氧化鋯陶瓷殘余應(yīng)力值要大于氮化硅陶瓷的殘余應(yīng)力值。

（4）隨著工件表面由塑性變形的去除方式向脆性斷裂的去除方式轉(zhuǎn)變，表面殘余壓應(yīng)力值逐漸減小，表面質(zhì)量變差；在磨削加工中應(yīng)選用較小的進(jìn)給速度和磨削深度、較大的磨削速度使表面呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力，以此來獲得較好的表面質(zhì)量。